足桨耦合驱动仿海蟹机器人水下推进机理与实验研究

Propeller usually used in most traditional underwater vehicles is not suitable for the robots applying to the shoal environment. And the existing shoal robots are also unable to obtain superior environment adaptability during switching between walk and swim. This project carries out the subsea propulsion mechanism and experimental research based on the bionic study of swimming crab. By the composite propulsion of walking legs and swimming paddles, a new leg-paddle coupling drive crablike robot is developed, which has the characteristics of both walking and swimming under water. The double swimming paddle model is built for hydrodynamics analyses and its propulsion performance can be reflected by trajectory characteristics, thrust generating and flow field structure. Unlike most legged robot, the leg-paddle coupling drive crablike robot walks in a new efficient leap-floating gait for the seafloor walking, whose walking legs in association with the swimming paddles are the actuators simultaneously. For swimming in the water, a buoyancy adjusting device is equipped on the robot and the robot can swim using the subsea swimming gait by properly adjusting the motion parameters of its swimming paddles. Finally, we develop a double swimming paddle propulsion platform and make subsea propulsion tests. The operation ability of crablike robot on the shoal terrain is tested through underwater walking and swimming experiments. In short, the achievements of this project are significant for improving the practicability and adaptability of crablike robot in the shoal environment.

传统水下机器人常采用螺旋桨推进器，这种推进方式对于浅滩作业的水下机器人并不适用。现有的浅滩作业机器人在步行与游动状态切换时，无法自主实施步态转换。本项目以海蟹为仿生原型，开展仿海蟹机器人水下推进机理与实验研究。采用步行足和游泳桨复合结构，设计足桨耦合驱动仿海蟹机器人，使其具有水下行走和水中浮游双重特性。通过建立仿海蟹双游泳桨水下推进系统模型，进行水动力学分析，从轨迹特征、推力产生和流场结构三方面分析仿海蟹机器人水下推进机理。基于步行足与游泳桨协同推进方法，提出一种平稳高效的适应浅滩环境行走的“蹬踏-游动”步态。通过浮态控制及游泳桨运动参数调节，规划一种姿态和推进方向可控的机器人水中浮游步态。搭建双游泳桨推进系统实验平台及仿海蟹机器人整机测试平台，开展仿海蟹机器人水下推进实验研究。该项目的研究成果对于提高仿海蟹机器人浅滩环境适应性和实用性具有重要意义。

目前海洋无人平台由水面高速无人艇、无人潜水器等组成，可以实现海洋水面水下全方位覆盖，但面对陆地与海洋衔接的拍岸浪、碎浪带与滩涂地带，传统无人平台的环境适应性较差，主要原因是浅海两栖环境十分复杂，包含了松软沙地、布满岩石的崎岖地面等非结构化地貌，另外底栖、浮游生物大量存在于浅滩环境，水流环境变化剧烈，因此以螺旋桨作为主要推进装置或仅以拍翼游动的水下机器人无法适用该环境。. 通过寻找适应该环境的生物原型进行研究是构建适应该环境的关键，梭子蟹作为一种拥有卓越陆地和水下机动能力的两栖生物，能够实现陆地和水下行走以及在水中的游动，十分适合充当两栖机器人的仿生原型。本项目在对梭子蟹水下、路上进行生物观察的基础上，进行了两栖仿海蟹机器人的结构设计，研制了足桨混合驱动仿海蟹机器人样机。该样机可以通过步行足和游泳桨复合推进方式产生运动，兼具陆上行走、海底爬行和水中浮游三重运动特性。采用基于并行计算的CFD方法，分析三自由度刚性游泳桨运动参数对其水下推进性能和推进效率的影响。以推进效率为优化指标，通过逐步寻优方法确定升力和阻力模式下游泳桨的运动参数。对摆尾步态、双桨交错拍动步态、基于升力模式的效率优化协同摇桨步态和交错摇桨步态、推力优化的协同摇桨步态等进行了推进策略分析。. 本研究提出一种横向蹬踏步态和利用步行足和游泳桨耦合实现的纵向蹬踏-浮游步态，扩展定义水下步态分析的基本参数并开展了仿海蟹机器人实验研究。进行了直航、转弯、行走及蹬踏等实验，最终获得了机器人在各步态下的运动规律，实现了机器人高效高机动性自主游动。.足桨混合驱动作为一种新型的仿生推进技术，它采用步行足和游泳桨复合推进方式，可以使机器人具备根据浅滩地貌环境和作业任务需求选择水下行走或水中浮游的工作方式，同时也为水下机器人的仿生设计提供了一种新思路和选择。研究成果对于提高机器人浅滩环境适应性和实用性具有重要意义。